靜態(tài)破碎技術(shù)在湘江橋區(qū)航道清障工程中的應(yīng)用

◎陳正輝 湖南省水運(yùn)建設(shè)投資集團(tuán)有限公司

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的迅速發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的不斷突破，人民的生活水平逐步提升，城市人口迅速增加，依靠機(jī)械、火藥等方式拆除水下工程設(shè)施已經(jīng)不滿足城市發(fā)展的需求。然而靜態(tài)破壁技術(shù)可以在人口密集、水工設(shè)施等環(huán)境較為復(fù)雜的場(chǎng)景下進(jìn)行應(yīng)用，因此靜態(tài)破碎技術(shù)逐步得到人們的重視。

1.靜態(tài)破碎劑的作用機(jī)理

1.1 靜態(tài)破碎原理

靜態(tài)破碎工藝的關(guān)鍵技術(shù)是靜態(tài)破碎劑,靜態(tài)破碎劑（HSCA）是經(jīng)高溫煅燒以CaO為主體的無(wú)機(jī)化合物并同時(shí)混入其他化合物，根據(jù)氧化鈣與水間的化學(xué)性產(chǎn)生氫氧化鈣，通過(guò)兩者間反應(yīng)的化學(xué)方程式（見(jiàn)公式1）可知，當(dāng)CaO與H2O反應(yīng)后的膨脹體積大約增大了原有單獨(dú)CaO體積的1倍。

1.2 靜態(tài)破碎力學(xué)性能分析

本文通過(guò)查閱國(guó)內(nèi)外研究文獻(xiàn)，靜態(tài)破碎劑的膨脹壓力高達(dá)30Mpa，而一般狀況下的巖石和素混泥土僅僅需要3Mpa到10Mpa的壓力即可。在目前狀況下，破裂機(jī)理的模型研究主要體現(xiàn)在如下方面：

式中：R：為鉆孔的半徑，單位mm；ρ：為孔內(nèi)受力點(diǎn)與孔心得聚力，單位mm；Pr為孔內(nèi)的膨脹壓力，單位Mpa；t:為壁厚，單位mm；

當(dāng)ρ=R+t時(shí)，則：

同時(shí)根據(jù)彈性力學(xué)可以得到軸向、徑向以及環(huán)向應(yīng)力：

根據(jù)廣義的胡克定律：

然后在將公式帶入得到膨脹壓力：

1.3 影響靜態(tài)破碎的主要因素

本文通過(guò)查詢(xún)國(guó)內(nèi)外針對(duì)影響靜態(tài)破碎劑相關(guān)參數(shù)的研究文獻(xiàn)，梳理了在現(xiàn)狀條件下，影響靜態(tài)破碎在不同時(shí)間的膨脹壓參數(shù)表，見(jiàn)表1。

表1 各齡期的膨脹壓

2.靜態(tài)破碎技術(shù)在工程中的應(yīng)用

2.1 工程概況

湘江2000 噸級(jí)航道建設(shè)一期工程項(xiàng)目是湖南省重點(diǎn)工程，該項(xiàng)目主要是將湘江株洲航電樞紐至城陵磯1000噸級(jí)航道等級(jí)升為2000噸級(jí)并配備相應(yīng)航道支持保障系統(tǒng)，航道等級(jí)提升后，株洲大橋由原來(lái)單孔通航變?yōu)殡p孔通航，但上行通航孔臨近10#橋墩約30m處有兩個(gè)2個(gè)混凝土墩，每個(gè)體積約140m3（L＊B＊H=700＊500＊400cm），嚴(yán)重影響了船舶航行安全，需清除至設(shè)計(jì)河底高程26.8m以下。

2.2 破碎工程設(shè)計(jì)

（1）最小抵抗線：即第一排孔與自由面的距離，它的大小取決于破壞對(duì)象的幾何尺寸、配筋率和排列情況、要求破碎塊度等，一般來(lái)說(shuō)：

無(wú)筋和少筋混凝土：

鋼筋混凝土：

考慮到湘江橋區(qū)航道為無(wú)筋混凝土，標(biāo)號(hào)為C20，所以工程中W取30cm。

（2）孔距和排距。由于靜態(tài)破碎劑的破壞力遠(yuǎn)小于常規(guī)炸藥，所以排距和孔距均較小，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式孔距a=K(破碎系數(shù))＊D（孔徑），取孔距a=40cm。

排距b 的大小與物體的自由面有關(guān)系，自由面少，b取小值；自由面多，b取大值，要求多排孔分次破碎時(shí)，排距b一般小于孔距a，一般情況下取

本工程自由面稍多，要求多排孔分次破碎，據(jù)經(jīng)驗(yàn)b=30cm。

（3）孔深L。孔深大小主要取決于設(shè)計(jì)破碎面的高度（H）和鋼筋的約束程度，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)：

無(wú)筋混凝土：

鋼筋混凝土：

考慮到湘江橋區(qū)航道墩體為無(wú)筋混凝土，所以孔深L取0.80H。

2.3 靜態(tài)破碎的效果分析

本文通過(guò)查詢(xún)國(guó)內(nèi)外針對(duì)在靜態(tài)破碎時(shí)裂縫面積的相關(guān)研究，結(jié)合本文的實(shí)際工程，本文在計(jì)算裂縫面積采用如下的計(jì)算公式：

式中：α為破碎劑的體積膨脹率，w為孔周裂縫總寬度，β為裂縫面積比，l為試件上表面切縫總長(zhǎng)度，d為試件上表面切縫平均寬度，d'為試件上表面切縫初始寬度，A為試件上表面面積。

本文以破碎劑體積膨脹率為縱坐標(biāo)、鉆孔灌入破碎劑漿體后的時(shí)間為橫坐標(biāo)建立了靜態(tài)破碎劑體積膨脹率時(shí)程曲線，見(jiàn)圖1。通過(guò)對(duì)曲線的分析可知：當(dāng)開(kāi)裂后，破碎劑體積膨脹率隨著時(shí)間推移而不斷增大，前期發(fā)展快，后期發(fā)展緩慢并逐漸趨于穩(wěn)定，此外，角部孔的體積膨脹率最大，邊部孔次之，中部孔最小。

圖1 破碎劑體積膨脹率時(shí)程曲線

3.結(jié)論

本文首先概述靜態(tài)破碎技術(shù)的研究現(xiàn)狀，然后結(jié)合國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀闡述了靜態(tài)破碎的原理以及靜態(tài)破碎力學(xué)性能的分析以及影響靜態(tài)破碎的主要因素，最后以湘江橋區(qū)航道的清障工程為例闡述了靜態(tài)破碎技術(shù)在工程的具體應(yīng)用，研究成果對(duì)于促進(jìn)靜態(tài)破碎技術(shù)的發(fā)展起到一定的積極作用。